안녕하세요. 다쏘시스템코리아 SIMULIA 브랜드팀입니다.
이번 시간에는 Filament winding composite중 하나인 COPV(Composite Overwrapped Pressure Vessel)의 해석 자동화 및 winding angle 최적화에 대해 말씀드리겠습니다.
들어가면서
앞선 포스트에서도 말씀드린 바와 같이 섬유강화 플라스틱 복합재료는 강화재인 섬유와 모재인 플라스틱으로 이루어진 Ply의 조합으로 구성이 되는데 이번에 소개드리고자 하는 Filament winding composite의 경우 주로 축대칭 구조물을 생성하기 위하여 사용되게 됩니다. 아래 그림과 같이 주로 고강성을 요구하는 축대칭 구조물에 적용되며 항공기의 propellant vessel, 자동차의 수소저장탱크 및 일반적인 가스저장용기에 이르기까지 폭넓게 사용되고 있습니다.
그림. Filament wound composite의 적용 사례
Filament winding composite은 아래 그림과 같이 Liner 또는 mandrel에 filament bands를 사선방향으로 감아서 복합재 layer를 생성하게 되고 이를 경화하여 완성하게 됩니다. 이와 같이 생성된 복합재의 단면을 보면 복합재와 Liner로 구분될 수 있고 경우에 따라 Liner를 제거하고 사용할 수도 있습니다.
그림. Filament winding composite의 제작 과정
사선 방향으로 filament band가 감기기 때문에 감기는 각도에 따라 성능이 달라지게 됩니다. 따라서 감기는 각도를 잘 결정해야 합니다. 기존에 경험을 바탕으로 결정하던 winding 각도를 Abaqus와 Isight를 이용하여 최적화를 수행할 수 있습니다. 이것을 수행하는 workflow는 아래 그림과 같습니다.
그림. Workflow
Wound Composite Modeler plug-in
이 Plug-in은 각 layer에 재료, winding angle, 두께 및 filament band 폭 등을 쉽게 정의할 수 있어서 filament wound composite에 대해 빠르고 쉬운 해석이 가능합니다. Plug-in 형식으로 지원되며, Helical layer의 모든 element에 대해 각각의 material orientation과 material properties를 자동으로 정의할 수 있습니다. 이 Plug-in의 주요 특징을 아래와 같습니다.
1) Liner(Mandrel) 형상 정의 -. Part instance, CAD model 및 Analytical model(elliptical, spherical, geodesic shape) 정의 가능 2) Winding Layout Specification -. 각 layer에 material, wind angle, thickness, band width, end type 및 y방향 위치 설정 가능 -. Geodesic or non-geodesic winding pattern에 대해 정의 가능 3) Partitioning을 통한 mesh quality 제어가 가능하고 자동으로 mesh 생성 및 각 element 별 material orientation과 material properties 부여 4) UVARM을 자동으로 생성하고 이를 통해 fiber direction에 따른 출력 변수값 확인 가능
그림. Wound composire modeler plug-in
COPV 해석 자동화
Winding 각도 최적화를 위해 해석 자동화를 수행합니다. 축대칭 모델이기 때문에 axisymmetric model로 단순화 하고 python을 이용하여 자동으로 해석 모델 생성, mesh 생성, 경계조건 및 구속조건을 설정하도록 지정합니다.
그림 COPV 모델 개요
Winding layup은 총 9개로 구성되며 4개의 Hoop layer와 5개의 Helical layer로 구성합니다. 이 과정은 Plug-in의 Layer Manager를 통해 쉽게 수행할 수 있습니다.
그림. Winding layup 구성
다음으로 하중 및 경계 조건을 설정합니다. 하중 조건은 Liner에 압축 잔류응력을 발생시키기 위해 Autofrettage 과정을 진행합니다. Autofrettage 압력은 6.5MPa로 지정하였고 최대 기대 작동 압력은 4.0MP로 설정하였습니다. 또한 경계조건은 Y-symmetric 조건으로 지정하였습니다. 파손 평가는 Tsai-Hill cretia로 평가를 진행하였습니다.
그림. Tsai-hill criteria
설계변수 최적화
Tsai-Hill failure criteria를 만족하는 값 중 최소값을 목적함수로 설정하고, Helical 방향 layer의 winding angle을 설계 변수로 설정하였습니다.
그림. 최적화 설계 변수
Isight를 이용하여 자동화 프로세스를 구성하였습니다. Simcode component를 이용하여 앞서 생성한 해석 자동화 및 평가 자동화 파일을 수행하였고 전역 최적화 기법 중 하나인 ASA를 이용하여 최적화를 수행하였습니다.
그림. Isight 자동화 프로세스
해석 결과
해석 결과를 보면 초기 설계는 파손 기준을 1.36으로 상회하였었는데 최적화를 진행한 결과 0.87로 파손 기준을 만족하는 것을 확인할 수 있습니다. 이와 같이 단지 winding 각도의 변경만으로도 성능 결과가 달라지기 때문에 최적화 해석을 수행한다면 제품 성능 및 불필요한 비용에 대한 절감까지 달성할 수 있으리라 기대됩니다.
그림. 해석 결과
맺음말
이번 포스팅에서는 Abaqus의 wound composite modeler plug-in을 활용하여 COPV(composite overapped pressure vessel)에 대해 해석에 대한 자동화 및 Isight를 이용하여 winding 각도에 대한 최적화를 수행하는 방법을 알아보았습니다. 앞서 말씀드린 것처럼 상기 Workflow를 이용하여 해석 프로세스 자동화 및 최적화를 수행한다면 기존에 경험적으로 설계해야 했던 설계 변수들을 보다 쉽고 빠르게 결정할 수 있고 업무 수행에 대한 공수 또한 절감시킬 수 있으리라 예상됩니다.
추가적인 문의 사항은 다쏘시스템 SIMULIA 기술지원팀에 문의 주시기 바랍니다. (02-3270-8541)
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